抵抗スポット溶接品質の安定化に向けた取り組み
Study of Technology to Improve the Robustness of Resistance Spot Welding
渥美健太郎
河田直樹
大塚陽介
石川武

Kentaro ATSUMI
Naoki KAWADA
Yosuke OTSUKA
Takeshi ISHIKAWA

一般的に溶接に要求される品質には強度，じん性，延性などがあるが，それらの諸特性が安定的に得られることも重要な要素となる．ステンレス鋼製車両で使用する抵抗スポット溶接に関しても同様に，溶接部（ナゲット）が安定的に得られることが求められる．抵抗スポット溶接における安定性を阻害する要因の一つにギャップを挙げることができるが，このギャップに対する安定性（ロバスト性）を向上するために何の因子が重要であるのか調査した文献は少ない．そこで，溶接条件の各要素がギャップに対するロバスト性にどの程度寄与するのかを調査した．

１ はじめに電流

当社ではステンレス鋼製車両を主に車両製造を行っているが，その構体製造ではアーク溶接，抵抗スポット溶加圧接およびレーザ溶接を用いて接合が行われている（1）．
抵抗スポット溶接は2枚以上重ねられた被溶接材を1対外乱（ギャップ ）の電極で加圧しつつ電流を流し，その接触面に発生する抵抗発熱によって加熱し接合する溶接法である．
抵抗スポット溶接では良好な溶接品質を得るためには適切な溶接条件を選定することが重要であるが，外乱によって溶接品質がばらつくことが考えられる．抵抗スポット溶接における外乱のひとつとして，図1に示すような被溶接材どうしのギャップなどが挙げられる．

溶接部（ナゲット）

図1

抵抗スポット溶接の外乱（ギャップ）

抵抗スポット溶接における溶接品質のばらつきとはナゲット径の大きさのばらつきや溶込みのばらつきを指す．また，場合によっては図2に示すようなチリをともなうことも考えられる．
溶接品質が良好な溶接結果を安定的に得るためにはギャップを抑制していくとともに，ギャップに対してロバスト（頑健）であるような溶接条件を選択していくことが重要となる．そこで本稿では，溶接条件の各因子がギャップに対するロバスト性に与える影響を調査した内容について報告する．

図2

総合車両製作所技報第５号

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抵抗スポット溶接のチリ抵抗スポット溶接品質の安定化に向けた取り組み

２．２

２ 実験方法

実験計画

抵抗スポット溶接に使用する熱エネルギの収支をシス

２．１ パラメータ設計の導入テムと捉え，その入出力関係を基本機能とした．入力に実験にはパラメータ設計を導入した．パラメータ設計

は溶接に必要なエネルギの代用特性として，溶接すべきは，品質工学（タグチメッソッド）による最適化手法で，量に比例する総板厚を選び，出力には溶接に使われた熱

具体的には「SN比」，「損失関数」および「直交表」の3エネルギの代用特性として，実際の溶接断面から得られ要素を用いて，研究開発した技術や製品が市場または製るナゲット径と溶け込み深さを選んだ．

造工程で成立するか否かを推し量る評価手法である（2）．

よって，信号因子は板厚組合せとし，表1に示すもの設計対象の基本的な「機能」を定義し，SN比によってとした．信号因子とはコントロールすることはできるが，その「機能」が誤差や外乱に対してロバスト（頑健）で設計者が自由に決めることのできない因子のことでああるかどうかを評価する．また，「直交表」によって，る．

ロバスト性の高い設計因子の抽出と，パラメータの決定

誤差因子は被溶接材間のギャップとし，その値を表2が容易になるという特徴がある．SN比とはばらつきがに示す値とした．ここでは，ギャップ有りの場合の値を小さく，かつシステムの働きの良さを示す尺度で，以下経験的に生産現場で発生している1.0mmに設定した．の式で表わされる．本稿では動特性のSN比を用いてい制御因子は各種の溶接条件とし，それらを表3に示する．

値とした．そこで用いる標準条件は，信号因子である板厚組合せ（M1からM3）ごとに表4に示す値に設定した．

SN比η＝有効な情報β2 ／有害な情報（誤差）σ2･・・・（1）

制御因子とは，設計者が自由に決めることが出来る因子のことで，今回は電源，溶接ピッチ，電極形状，加圧力，分母にある誤差（ばらつき）が小さいと，SN比が大電流値，通電時間およびスロープ時間とした．

きくなり，機能をばらつかせる要因（今回はギャップ）

なお，標準条件は信号因子ごとに現場で施工しているに対してロバスト性が高いことを示している．

溶接条件を参考に決定した．なお，誤差因子，信号因子
および制御因子の各因子の関係は図3に示す通りである．

表1

板厚組合せ

M1

M2

M3

SUS301L-H(HT)･t0.8
SUS301L-1/4H(DLT)･t1.5

SUS301L-H(HT)･t1.5･
SUS301L-1/4H(DLT)･t1.5
SUS304･t4.0

SUS301L-H(HT)･t1.5
SUS301L-H(HT)･t2.0
SUS301L-1/4H(DLT)･t1.5
SUS301L-1/4H(DLT)t1.5･

表2

誤差因子 N
N1
密着 ･ギャップ（mm）

表3
電源
ピッチ（mm）
（上）
電極形状
（下）
加圧力（kN）
電流値（kA）
通電時間（cyc）
スロープ（cyc）

信号因子 M

N21.0

制御因子

1
直流インバータ電源3012-100R
銅板（Flat）
標準条件･-20%
標準条件･-20%
標準条件･-20%
12･
交流インバータ電源
4016-100R
銅板（Flat）
標準条件
標準条件
標準条件
37135016-100R
16-100R
標準条件･+20%
標準条件･+20%
標準条件･+20%
5

2016年12月

表4
加圧力（kN）
電流値
（kA）
通電時間
（cyc）

標準条件

M1
8.0
7.015･

M2
7.5
8.0
30

M3
8.0
8.0
50

電流

E:電流値
F : 通電時間時間

打点目溶接部（評価対象外）

A:電源
C:電極形状D:加圧力

誤差因子（ギャップ）

G:スロープ

信号因子（板厚組合せ）
打点目溶接部（評価対象）
B:ピッチ
図3･

信号因子・制御因子・誤差因子

２．３ 評価項目
溶接部断面におけるナゲット径（上側および下側）と最も外側の板への溶込み（上側および下側）を測定し，それらの値を計算のうえSN比で評価した．各測定項目の位置関係は図4に示す通り．
なお，試験片は精密切断機にて溶接部の中心を通る断ナゲット径 上側面で切断，その後に準備研磨機にて切断した断面を研磨し，シュウ酸水溶液にて断面を腐食させて観察を行った．

ナゲット径 下側

３ 結果
断面測定の結果から得られた要因効果図を図5，寄与率を表5，結果の概要を表6に示す．ここでは解析にSN比を用いたが，SN比は水準間の差が大きい場合に値が高い水準を選択すると，ロバスト性が高いことを示して･いる．

･
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図4

評価項目

溶込み上側
溶込み下側

抵抗スポット溶接品質の安定化に向けた取り組み

B1（30） V（）

D3（＋20％）

図5

要因効果図

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2016年12月

表5寄与率寄与率 [ %]
ナ ット上
ナ ット下
溶込み上
溶込み下
表6

項目

結果概要

結果概要

電源ピッチ電極加圧力
電流値
通電時間
スロープ
誤差

A1とA 2の差がいずれ 1d B 下ギャップに対して 電源の差は優位性が無い
B1（ ピッチ30mm）にすれ ギャップに対して安定する結果安定的に分流している可能性有り
型の形状を している作用
D3（ 標準条件の120%）にすれ ギャップに対して安定する結果
寄与率がいずれの測定項目で 高い
ギャップに対する優位性が高い
寄与率がいずれの測定項目で 比較的 め
ギャップに対する優位性はそれ高くない
いずれ G3（ スロープ5cyc）が高い
スロープは長く設定する方がギャップに対して安定する

３．１ 制御因子A：電源（寄与率：0.00 ～ 3.88%）

なお，解析手順は以下に示す通り．

すべての測定項目で2水準（交流or直流）の差は1dB<手順1>全データの2乗和STを求める．

程度であり，寄与率も他の制御因子よりも小さい値とな

S T ＝ y ＋ y ＋ y13 ・・・（2）った．このことから，制御因子A［電源］はギャップに2112122

対する優位性がほぼ無いことを示している．
<手順2> 線形式Lを求める．
L＝ M1y11＋ M2y12＋ M3y13・・・（3）３．２ 制御因子B：ピッチ（寄与率：7.71 ～ 15.23%）<手順3> 有効除数 （単位の2乗量）
rを求める．のうちB1（ピッチ30mm）のSN比が高い値となった．こ

すべての測定項目でも3水準（ピッチ30，40，50mm）
r ＝ M12＋ M22＋ M32・・・（4）のことから，ギャップに対して制御因子B［ピッチ］はC1（30mm）にした方が溶接結果は安定することを示し<手順4> 比例項の変動（有効成分）Sβを求める．ている．

Sβ＝ LA ／ r・・・（5）2

３．３ 制御因子C：電極（寄与率：14.17 ～ 30.15%）<手順5> 全2乗和から有効成分を差し引き，誤差変3つの測定項目において谷型となった．これは，制御動Seを求める．

因子Cには交互作用があることを示している．

Se＝ S T－Sβ・・・（6）
３．４ 制御因子D：加圧力（寄与率：5.14 ～ 10.70%）<手順6> 自由度 f の値で割り，誤差分散Veを求める．
Ve＝ Se ／ f・・・（7）すべての測定項目で3水準のうちD3（標準条件+20%）でのSN比が最も高い結果を得た．これはギャップに対して，制御因子DはD3（標準条件+20%=高加圧力）にし<手順7>公式に則り，SN比η[db]を求める．

た方が溶接結果は安定することを示している．

η＝ 10log（S{ β－Ve）／（r×Ve）｝・・・（8）
３．５ 制御因子E：電流値（寄与率：9.98 ～ 50.26%）
3つの測定項目においてE1（標準条件-20%）でのSN比が最も高い結果を得た．これはギャップに対して，電流値はE1（標準条件-20%=低めの電流値）にした方が溶接結果は安定することを示している．

総合車両製作所技報第５号

74抵抗スポット溶接品質の安定化に向けた取り組み

３．６ 制御因子F：通電時間（寄与率：3.70 ～ 9.32%）

力の順であった．

すべての測定項目で3水準の差は1dB程度であり，寄与率も比較的小さい値となった．このことから，制御因

参考文献

子F［通電時間］はギャップに対する優位性が低いこと（1）･ 杉山隆：「東急車輛技報で辿るステンレス車両の技術史」，東急車輛技報･60号，･2-11，（2010），東急を示している．

車輛製造（株）３．７ 制御因子G：スロープ（寄与率：4.80 ～ 8.00%）（2）･･河田直樹：「研究開発における品質工学の活用」，

すべての測定項目で3水準の差は1dB程度であり寄与

総合車両製作所技報･1号，･38-45，（2013），（株）総合車両製作所

率も比較的小さい値となったが，G3（スロープ5cyc）にした方がSN比は高い値となった．

著者紹介

４ 考察
今回の実験ではギャップを誤差因子Nに設定している

渥美健太郎

ため，寄与率は「ギャップがN1（ギャップ＝なし）と生産本部技術部（接合技術センター）

N2（ギャップ＝1.0mm）のどちらの値であっても溶接品質（ナゲット径・溶込み）を安定させたい場合，制御因子AからGを変化させることでどの程度影響を与えるこ

河田直樹とができるのか」を表している．制御因子A（電源）の博士（工学）
生産本部
技術部（接合技術センター）･主査

寄与率は最大でも3.9%であったことから，ギャップに対する溶接品質への寄与は低いものと考えられる．
一方で，寄与率が高かったのは制御因子E（電流値）で50.26%であった．これは，時間t［sec］の間に発生する熱量をH［J］，抵抗をR［Ω］，制御因子E（電流値）
をI［A］とすると，
H･＝･I2･× R × t･

大塚陽介
技術士（金属部門）,･IWE
生産本部
技術部（接合技術センター）主査

石川武

…（2）

博士（工学）
生産本部技術部（接合技術センター）･課長と表されることが知られている．

溶接品質（ナゲット径・溶込み）のロバスト性は，発熱量Hの安定性と言い換えることができる．ギャップの有無は抵抗Rの大きさに影響を与えるが，その際に制御因子E（電流値）であるIは式（2）の中で2乗の項であることから，発熱量への寄与率が大きいことが分かる．
５ まとめ
抵抗スポット溶接におけるギャップへのロバスト性に，溶接条件の各因子が与える影響について調査した．
得られた知見は以下の通り．
・･ロバスト性を上げるためには低めの電流，高めの加圧力，長めのスロープが良い結果を得た．
・･制御因子の中で条件を変えると，ロバスト性の寄与率で高いのは電流値，電極，溶接ピッチおよび加圧75

2016年12月